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滚珠丝杆选型计算:额定寿命 · 临界转速 · 屈曲载荷

滚珠丝杆怎么选型?用额定寿命 L10、临界转速 Nc、屈曲载荷 Pc 三个公式初筛,附端支撑系数表与SFU2010 算例,覆盖轴径、行程、转速与负荷匹配。

丝杆不是越大越好:寿命要够、转速不能撞临界、长细比不能失稳。下面三个公式够做 90% 的初筛,最终按实际工况复核即可。

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一、额定寿命 L10

额定寿命指 90%% 的滚珠丝杆在给定轴向负荷下能达到的回转数(或小时数)。

L = (Ca / Fm)³ × 10⁶  [rev]
Lh = (Ca / Fm)³ × 10⁶ / (60 × n)  [h]

Ca:丝杆副基本动额定负荷(见型号页 / 型录);Fm:等效轴向负荷;n:转速 (rpm)。

等效轴向负荷 Fm

Fm = X × Fw + Y × Fr + Fp

Fw 轴向工作负荷;Fr 径向负荷(通常取 ≤0.1Fa,否则 Fm 显著上升);Fp 预压等效负荷;X、Y 为负荷系数。纯轴向传动且无明显径向力时,Fm ≈ Fw + Fp。

二、临界转速 Nc

细长丝杆高速旋转会共振,工作转速应 ≤ 0.8 × Nc。

Nc = (f × d1 / Lc²) × 10⁷  [rpm]

d1:丝杆轴径 (mm);Lc:两支撑点间距 (mm);f:端支撑系数(下表)。

支撑方式系数 f说明
两端固定 Fixed–Fixed21.9刚性最高,Nc 最大
一端固定一端支撑 Fixed–Supported15.1常用结构
两端支撑 Supported–Supported9.7中刚性
一端固定一端自由 Fixed–Free3.4悬臂,Nc 最低

三、屈曲载荷 Pc

受压长丝杆会失稳屈曲,最大轴向压缩负荷须小于 Pc。

Pc = π² × E × I / Le²
I = π × d1⁴ / 64   (mm⁴)
E = 2.06 × 10⁵ MPa   Le = μ × Lc

Le 有效长度 = 端支撑系数 μ × 支撑间距 Lc:两端固定 μ=0.5,一端固定一端支撑 μ=0.7,两端支撑 μ=1.0,一端固定一端自由 μ=2.0。

四、算例:SFU2010

条件:轴径 d1=20 mm,导程 10 mm,精度 C7;行程 800 mm,支撑间距 Lc=1000 mm,两端固定(μ=0.5,f=21.9);轴向工作负荷 Fw=800 N,预压 Fp≈0,转速 n=1500 rpm;型录基本动额定负荷 Ca=3.8 kN。

项目计算结果
额定寿命 L10(3800/800)³×10⁶107×10⁶ rev
寿命小时 Lh107×10⁶/(60×1500)≈ 1190 h
临界转速 Nc21.9×20/1000²×10⁷≈ 4380 rpm → 工作 1500 < 0.8×4380=3504 ✓
屈曲载荷 Pcπ²×2.06e5×(π×20⁴/64)/(0.5×1000)²≈ 63.9 kN ≫ 0.8 kN ✓

示例为说明算法,实际选型请以具体型号型录的 Ca、刚性、Nc 表为准。

五、选型复核清单

常见问题

L10 寿命到 0 还能转吗?
L10 是 90% 可靠度下的统计寿命,到点是失效概率显著上升,不是突然卡死;重要设备按 0.5~0.8 倍留余量。
临界转速和螺母转速是一回事吗?
公式里 n 指丝杆轴转速;若螺母移动、轴不转(副进给),则看轴段自身转速。长丝杆通常轴转。
Ca 去哪里查?
每个丝杆型号的详情页与厂家型录都列基本动额定负荷 Ca;本网型号详情页已在参数区给出。

公式依据 JIS B 1192 与滚珠丝杆通用设计方法;端支撑系数与材料取常用工程值。

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